结构优化新功能｜形貌优化简介及应用示例
形貌优化简介
形貌优化是一种形状最优化的方法，即在板型结构中寻找最优加强筋分析的概念设计方法。形貌优化为形状优化的高级形式，优化的自由度是节点的位置，即使用网格节点不断迭代重定位，直到得到满足设计目标最优化的移动节点区域的最佳组合。
与一般形状优化类似，基于负载和边界条件的物理特性驱动的优化，这些负载和边界条件可以由单个或多个前置分析提供。与形状优化相比，形貌优化主要针对壳体模型，用于设计薄壁结构强化压痕，使结构轻量化的同时能够满足刚强度和频率等方面要求，并且生成优化后的最佳形貌。
图一 形貌优化前后对比图
形貌优化应用示例
形貌优化可以被广泛应用于提高各种冲压板件的性能，如减小变形，提高模态频率，减小振动等。比如用于有效提升汽车薄壁梁耐撞性能研究，前端通过快速压溃吸收能量，后端抵 制形变，根据不同位置所需性能不同去优化薄壁梁结构；用于提升汽车动力电池上盖、制动盘防尘罩、侧门或公交车围板等的结构力学和NVH性能，或不降低刚度和模态频率的前提下，降低总成质量，实现轻量化目标。
ANSYS WorkBench 2023R1版本结构优化模块中新增形貌优化分析类型，当前功能可用于静态分析（柔度及静态用户自定义标准）和模态分析（模态用户自定义标准）。选项设置包含:
▶ Move Limit Per Iteration(每次迭代移动限制)：允许定义每个节点在每次迭代中可以移动的距离
▶ Total Move Limit(总移动限制):允许定义每个节点总共可以移动的距离
▶ Mesh Deformation Control(网格变形控制):允许定义网格可以拉伸的程度，以避免单元的失真
下面我们以L型板材支架优化设计为例来了解形貌优化的应用：钢质折弯件在水平与垂直面角隅处各切分出两个环面，其中两垂直环面用于固定支撑，两水平环面施加向下5N的力，如下图所示二，模型网格划分如图三所示。静态分析求解后，查看结果，最大变形为6.62mm。
图二 边界与载荷 图三 网格划分
图四 变形云图
形貌优化以柔度最小化为目标，体积保持近似相等，边界区域除外的壳作为优化对象，如图五所示。
图五 优化区域
完成模型结构优化后，可在结果中查看优化后形状，原光板折弯件增加了褶皱，其形貌优化节点移动量如图六所示。在与前置设计相同边界条件下，最大变形为0.408mm，约为初始设计的6.2%。
图六 形貌优化节点移动量
图七 变形云图
总结
由上述讨论的案例可以看出，在几乎未增加质量的前提下，形貌优化使支架结构刚度得到大幅度提升。形貌优化可以指导设计者设计出满足要求的极佳加强筋布局，并应用于以提高结构刚度和降低噪声为目的设计中。
作者简介
陈志梅，上海安世亚太结构应用工程师，釜山大学结构力学硕士，从事结构仿真分析工作10余年，在模型处理、参数化模型、非线性分析、结构优化等方面具有丰富的实战经验。曾为中科院、泰科电子等企业进行优化仿真的技术支持及项目咨询等工作。
